一种Buck变换器并联均流系统的设计

宋 伟，李昊远，张元科，徐浩东，韩 猛

（黑龙江科技大学 电气与控制工程学院，黑龙江 哈尔滨 150000）

0 引 言

Buck变换器是一种降压型开关控制器，以高输入、低输出、效率优良和响应速度快等特点，可适用于当前许多应用场景[1]。为了满足开关电源系统的容量、减少元器件所承担的电压与电流应力，模块化串并联Buck变换器应运而生。但是，模块化技术的引入会带给各个模块间不均衡的问题，直接影响Buck变换器的动态性能和可靠性。因此，分析Buck变换器的工作原理，进一步研究并联均流的方法，对研究Buck变换器的动态性能和提高其可靠性具有重要作用。

1 均流方法

设计采用一种数字逻辑控制均流方式，电路原理如图1所示。将各块Buck装置并联，通过采集参数t1、t2、…、tn各分模块的电流，将各模块的电流和负载总电流经过A/D装换模块输送到可编程逻辑器件。对比各模块电流和总负载电流，通过分析电流的大小输出不同占空比的PWM波调制各模块，从而使各模块电流得到均衡。数字逻辑控制均流方式具有均流精度高、反应速度快等优点[2]，特别是在航天等具有较高均流精度要求的场合下具有重要的实际应用意义。

图1 数字逻辑控制均流法电路原理图

2 硬件电路设计

以2路Buck变换器为例，对Buck变换器模块系统进行均流设计，系统控制原理如图2所示。对系统进行电压和电流检测，以2个Buck模块的电流为内环，采用PID模糊控制方式对2个Buck模块进行控制，使2个Buck模块的电流能够通过PID模糊控制方式按照定比进行均流[3]。通过采集模块总的输出电压，将输出电压与基准电压进行比较，使整个系统的输出电压稳定在一个恒定值，从而保证均流系统的稳定。

3 软件部分

系统中，软件的主要作用是完成命令输入、输出采样、软件过流保护和结果显示等功能，主程序流程如图3所示。

图2 系统控制原理图

图3 主程序流程图

图4 为监控模块的软件控制流程。为保护系统的正常运行，对整个并联均流系统进行监控处理。当出现故障时，整个控制单元会自动中断，以达到保护设备的目的[4]。

图4 监控模块的软件控制流程图

4 实验测试

利用仿真软件仿真测试电路的各个模块，对输入电压进行扰动测试，突增输入电压设为2～34 V，突减输入电压设为2～14 V。测得相同输入电压扰动下，4种不同均流方法下的输出电压的变化和恢复到稳定所需的时间。系统的扰动性能指标数据如表1所示。

表1 4种不同均流方法下的扰动性能指标数据表

由表1可知，在输入电压扰动的情况下，4种不同均流方法下，系统所具有的动态性能是不同的。在双环模糊PID方法控制下，系统电压波动的幅度最小，且恢复到稳定所需的时间最短。实验数据说明，PID数字控制均流系统具备输出电压稳定、恢复速度快和均流精度高的优点，能进一步提高并联均流系统的动态性能和可靠性。

5 结 论

通过对Buck变换器并联均流系统的研究，分析数字均流方式和双闭环控制系统，并进行了实验测试。实验结果证明：数字控制均流方法可以达到很好的均流效果；当参数摄动或负载扰动时，设计的系统能保持良好的动态和稳态特性，具有控制灵活、响应快和适应性强的优点，实现了高精度和高鲁棒性控制，具有一定的自适应能力和智能水平。